浅述气象动画视频服务产品自动化制作关键技术

马云飞 杨鹤 全秋浩 王丽伟

摘 要 本文分析了多源气象数据动画/视频图形化服务产品制作技术，利用GIS相关算法实现了对不同空间范围多时段不同气象要素进行空间插值，通过实验，这种方法可以提高气象数据插值的效率和美观性。本文运用ArcGIS ModelBuilder模型构建技术，以及基于ArcGIS Engine二次开发组件，开发的气象数据插值出图组件，静态图形产品制作组件、动画视频产品制作组件，结合ArcGIS空间分析工具，构建多源气象数据图形化服务产品制作模型，使气象服务图形产品制作效率更高，输出的产品精度更高且这一过程为全自动化处理。

关键词 ArcGIS Engine；反距离权重；气象动画视频；服务产品

前言

随着气象图形化产品制作加工在气象日常工作逐渐显现的重要性，气象工作者对不同气象观测数据以及多种天气现象和过程的可视化绘图需要愈发广泛[1]，且越来越多样化、个性化，现如今，常规意义上的统计表和地图不能满足气象工作者的需要，生动形象的可视化手段逐渐受到人们追捧[2]。以往的气象数据地图可视化，大都只能表达单一的气象属性，利用常规地图符号表达某地区气象要素指标某一时间点的属性，而气象要素在时态方面的演变规律却不能非常形象直观地表达出来。本文采用多源气象要素动态可视化表达方法，构建动态气象数据动画制作模型，以动画的形式同时将气象数据的时间、空间、属性等特性动态连续的加以展示，意义如下：

使得气象数据可视化方式多种多样。气象数据可视化表达方式一直以来较为单一，动画视频等可视化产品能够更加生动形象的表达其的气象信息。

提高用户提取质量和深度挖掘气象数据中包含的信息。在这里气象数据的挖掘是通过用动态展现描述现实世界中的各种天气现象。这种显示方式允许用户从不同角度观察和分析天气现象，并进行提取为用户提供更多有用和有趣的信息。

改善用户的视觉体验。动态图片比静态图片更具吸引力，同时反映气象数据时空信息，尤其是气象数据的时间维度变化。

1 气象数据插值出图组件

1.1 ArcGIS Engine概述

ArcGIS Engine是美国Esri公司推出的用于开发桌面版程序的GIS二次開发工具包[3]。ArcGIS Engine提供完整的数据处理、空间分析和地图制图等功能，能够灵活的实现从简单到复杂的不同规模的GIS应用软件开发，它可以被 C#、JAVA、C/C++等语言调用[4]。

1.2 组件工作流程

本文实现对多个空间范围多种气象要素进行插值且自动绘图，利用省级数据传输接口程序，读取MySQL或Oracle数据库，自动配置气象数据插值出图组件参数，同时结合读取的多个站点数据，经组件处理后，结合不同的气象要素观测数据生成多个文本文件，天气数据传输界面程序开始调整。使用插值绘图组件，组件启动并读取生成的文本文件，在组件映射控件上生成离散数据点，并执行反距离权重插值以完成映射，具体流程如图1所示。

2 动画视频产品制作组件

2.1 FFmpeg概述

本文动画及视频服务产品的制作利用到了FFmpeg开源程序中的视频、图片转换功能。FFmpeg是一套用于录制，转换，数字音频，视频以及将其转换为流的开源电脑程序。它为录制，转换和流式传输音频和视频提供了完整的解决方案。虽然FFmpeg是在Linux平台研发的，但它也具备良好的跨平台性和系统兼容性，包括Windows、Mac OS X等。

2.2 组件工作流程

该组件采用C/S桌面架构进行开发，作为动画视频产品的输出组件运行在后台。经过气象数据插值出图组件处理后生成的图片存放在文件服务器对应的目录。该目录按照日期和不同气象要素分门别类组织好。当动画视频产品制作组件接到用户产品生成需求后，在文件服务器按需抓取静态图片文件，经过组件程序处理后生成gif动画，与此同时，对于有视频转换需求的用户，组件程序会继续向下执行，将gif动画转换成特定格式的视频文件。最终把产品文件传到文件服务器供用户调用。

3 基于ArcGIS ModelBuilder模型构建技术

ArcGIS ModelBuilder（模型构建器）是将一系列地理处理工具串联在一起的工作流[5]。模型构建器甚至还可用于将系统工具箱的工具与自定义程序进行有效集成。模型构建器的优势在于它生成工作流的简单易用性。模型构建器支持用户自定义工具，同时，也支持使用python和VBScript编写工具配合其他模型使用。本文就采用这种方式将自研发组件和多种空间分析工具相结合的方式构件自定义模型进而完成产品输出流程。以本文多源气象数据图形化服务产品制作模型为例，模型构建如图2所示。

本文所用气象数据分两部分，一个是存放在数据库当中，另一部分是netCDF数据，为了能够在gis中读取气象专业数据，需要创建netCDF要素图层将气象数据转换成ArcGIS可识别的数据以便进行后续处理。气象数据插值出图组件读取数据库中存放的数据以及经转换的气象数据，经处理后统一输出不同气象要素的静态图形产品文件，并分门别类地存放到文件服务器的相应目录，动画视频产品制作组件读取相应目录的静态图片文件后，制作生成动画视频产品包括gif图片和avi格式视频。

4 结论与讨论

本文气象插值出图软件所使用的反距离权重插值法，虽然解决了自动化并提高了制图的效率，但是没有与其他插值方法，诸如样条曲线法、克里金等插值方法进行比较，目前暂时无法确定哪种插值方法能够在不同气象要素插值时提升插值效果。

动画视频产品制作组件生成的视频实现了视频自动化生成功能，能够更好地在时空变化上体现某些天气现象的演变，具有表达上生动形象的优点，但是无法满足部分用户添加声音的需求，图像配合音频可能在表达效果上会更好，今后还需要实现声音同步添加的功能。

本文提出的通过气象数据插值出图组件、动画视频产品制作组件，并利用图形可扩展可视化建模工具实现相关工作流程的技术，可以自动化实现气象数据检索分析处理和相关服务产品输出。同时图形服务产品发布在吉林省气象图形产品共享系统中，也证明该技术是可靠的，既减轻了预报员和决策气象服务人员的主观分析时间，又极大地提高了产品制作效率、精确度和美观度，便于相关气象工作者进行决策。

参考文献

[1] 林忠辉，莫兴国，李宏轩，等.中国陆地区域气象要素的空间插值[J].地理学报，2002，57（1）：47-56.

[2] 高歌，龚乐冰，赵珊珊，等.日降水量空间插值方法研究[J]应用气象学报，2007，18（5）：732-736.

[3] 牟乃夏，王海银，李丹，等ArcGIS Engine地理信息系统开发教程[M].北京：测绘出版社，2015：201.

[4] 黄勇奇，韦合勇，谢玉波.基于ArcGIS Engine的专题地图制作的实现[J]安徽农业科学，2007，35（14）：44-45.

[5] 唐卫，吴焕平，罗兵，等.基于GIS的气象服务产品后台制作系统[J]计算机工程，2009，35（17）：232-234.